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纳米铝杆拉伸过程的分子动力学模拟

日期:04-11 来源:代写网收集 点击次数: 提醒:需要原创论文请联系客服
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       1引言

  材料性能随尺度的改变发生变化.微器件尺寸微小、比表面大,其性能与宏观材料明显不同,例如更少的缺陷、更高的强度、表面效应显著等.为了能够设计、制造微机械,我们必须深入了解这些微机械的力学行为.面分子动力学则成为了一个有力的工具,分子动力学模拟具有沟通宏观特性与微观特性的作用,对于许多在理论分析和实验观察上都难以说明的现象可以作出一定的解释.

  国内外在晶体力学行为的分子动力学模拟方面开展了许多工作.研究了缺陷对单层石墨烯断裂强度的影响.Uuo等研究了在脆性断裂时所呈现出的裂纹陷阱效应以及裂纹扩展和钝化行为.Cao等研究了晶界效应对Cu纳米线与五次孪晶Cu纳米线中塑性形变和断裂机制的影响.吴恒安叫研究了金属纳米杆的受压稳定性.梁海弋等研究了表面效应对纳米铜杆拉伸性能影响.

  本文主要应用基于EAM势的分子动力学方法对纳米单晶铝杆在外载荷作用下的原子滑移、位错等形变行为做相关现象分析和研究.

  2模型细节

  本次模拟的核心是对各个模型施加外载荷,拉伸或压缩,研究不同温度时其在外载荷下的微构变化,分析其形变行为.需要指出的是,给定的原子位置只是理想的面心立方结构,并不一定是它的平衡位置.为了模拟的理想化,在每次施加外力之前都先让模型弛豫一段时间,这里每次的弛豫时间均为5000个时间步长,之后,对上下两个施力面的每一个原子都施加沿2轴的2e-7 erg/cm恒力.

  3模拟结果及比较分析

  3. 1常温下(300K)沿方向拉伸

  纳米铝杆在拉伸过程中,沿轴有明显的扭转,在拉断之后扭转部分又慢慢恢复了过来.晶体在滑移的同时伴随着沿外力方向的扭转,这表明纳米单晶铝杆在外力作用下,必然发生了原子滑移.

  此过程的平均原子势能随分子动力学时间步变化的曲线.观察发现在自由弛豫阶段(0-5000步)有下降趋势,到5000步降到最低,从5000步开始施力以后,随时间步增加势能曲线开始上升,到10000步达到最高后又开始下降.这是因为施加外力后,原子间距纵向增加,横向收缩,原子位置偏离势能最低点,所以断裂前势能一直呈上升趋势.到10000步时铝杆被拉断,势能最高.在这之后,断开的两部分自由收缩弛豫,对应势能的又一次下降.

  观察发现,势能曲线在上升过程中有两处明显的抖动,为方便起见,这里所示原子只是所关心的中间部分即纳米铝杆的原子.观察对应的时间步(分别为7000步和8500步)的纳米铝杆原子形态.看到滑移刚好在势能曲线首次突然下降的地方(即对应的时间步)开始产生,此时由位错产生的滑移面己很明显,它刚好是面心立方的最密排面,即(111)面.为明显起见,做了标示(图中灰色部分即是).正是这种滑移使纳米铝杆的整体势能有了突然下降,这表明滑移是为了平衡外应力的结果.纳米铝杆正是通过这样的滑移产生塑性变形,从滑移的地方开始变细,接着被拉断的.滑移前势能曲线有个尖峰表明滑移要越过势垒.

  3. 2低温下(3K)沿晶向的拉伸

  温度对纳米铝杆在拉伸过程中的塑性变形影响很大.在初始结构,边界条件,自由驰豫及施力情况都与上面一致的情况下,只把温度T由300 K调为3 K.发现纳米铝杆在低温下沿晶向拉伸时有明显的脆性.从5000步开始施力,在10000步之前拉伸的过程中,纳米铝杆表面上并没有明显的变化,到10000步时突然从上端接近施力面的部位的表面出现位错,接着从出现位错的地方开始滑移,直至完全断开.

关键词:动力学 纳米 分子 过程

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